科里奥利效应质量流量计 发明范围
本发明涉及一种科里奥利效应质量流量计，更具体讲，涉及一种利用一些同心转子作相位测量元件(phase measuring element)的科里奥利效应流量计。
问题
利用科里奥利效应(Coriolis effect)振动管质量流量计来测量质量流和获得流过一根管子的物质的其它信息已是众所周知的事。这样的一些流量计已公开于下述美国专利中，它们是1978年8月29日的第4,109,524号，1985年1月1日的第4,491,025，和1982年2月11日地第Re31,450号，这些专利都属于J.E.Smith等人。这些流量计具有一根或多根直的或弯曲构形的流管。每一种流管构形都有一组自然的振动模式，它们可以是简单弯曲的，扭转的或耦合型的。在共振时，每一种流管被迫以一种自然模式绕支点振动。从流量计的入口侧的连接管流进流量计的物质流被引导通过该流管或一些管子，而在流量计的出口侧流出。
充满流体系统的自然振动模式，部分地由上述那些流管和在这些管子中的流动物质的联合质量所确定。当没有物质流过流量计时，沿着这些流管的所有点都会由于一施加的驱动器力而以相同的位相振动。当物质开始流动时，科里奥加速度就会使每一沿流管的点具有一个不同的位相。在流管入口侧的位相滞后于驱动器，而出口侧的位相则超前于驱动器。将一些传感器放置在那些流管上以产生一些代表这些流管运动的正弦输出信号。两个传感器信号之间的位相差与通过这些流管的物质的质量流速成比例。
在这测量中的一个复杂因素是典型的过程流体密度的变化。这使得自然模式的振动频率发生变化。因为流量计的控制系统维持着共振，所以在密度变化时振动频率也会变化。在这种情形，质量流速是与位相差和振动频率之比率成比例。Smith的上述美国专利第Re.31,450号公开了一种科里奥利流量计，它避开了位相差和振动频率两者都要测量的麻烦。位相延迟与振动频率之比率是由测量流量计输出的两个正弦信号的水平交叉点(level crossings)之间的时间延迟来决定的。当采用这个方法时，振动频率的变化相互抵消，而且质量流速与测得的时间延迟成比例。这种测量方法在后面被称为时间延迟或Δt测量方法。
关于在科里奥利质量流量计中流动的物质特性的信息必须进行极为精确地导出，因为常常要求推得的流速的信息具有至少15％的读数精度。这些流量计的输出信号都是正弦的，而且在时间上或者位相上有一个位移，这个位移量由物质流过的测量计所产生的科里奥利力所决定。接受这些传感器输出信号的信号处理电路能精确测量这个时间差和产生流动的过程物质的理想的特性到至少15％的要求的读数精度。
振动管式科里奥利效应质量流量计的工作是以科里奥利力为基础的，这种力是在流体传导部件，如管子或通道围绕着一个垂直于管轴的轴旋转时所产生的。科里奥利流管一般并不在同一方向上连续转动，这是因为这总要求一个转动密封，而且密封阻力总会把误差引进科里奥利力的测量。代之的是使这些流管振动，使它们朝一方向绕一支点转动一个短距离之后紧接着在相反的方向上进行同样的转动。对科里奥利力不是直接进行测量，而是测量这些流管所产生的形变。
振动流管结构设计的基础问题是流体容纳部件，也就是流管，它也是在产生科里奥利力时会发生形变的传感元件。这种双重功能具有不相容的要求准则。流体容纳功能要求流管坚硬和牢固得足以承受流体的压力。对科里奥利力的敏感功能要求流管很薄，柔软，在有科里奥利力时会发生明显的形变。为小直径管路设计的测量计可以满足两个要求标准，只要将流管壁做得厚到足以承受流体压力和把流管做得足够长，以至于尽管它们的壁较厚但也能弯曲。这种设计方法并不用在那些适于大直径管路应用的流量计上，因为它所需要的流管长度将使这流量计变得很大，价格贵得不能承受。
这流管的双重功能带来的另一个问题是流体的压力倾向于使流管变得强硬。一个较强硬的管子对科里奥利力不太灵敏。这样，测量计的灵敏度会由于流体压力的增加而降低。
利用转动质量计解决了振动式科里奥利流管测量计的上述问题已是众所周知的。转动质量计的两种基本类型为角动量测量计和转动科里奥利测量计。它们的区别是，角动量类型是改变测量计流管中恒定径向位置上的流体的角速度，而转动科里奥利类型改变的是在流管中以恒定角速度转动的流体的径向位置。两种类型的测量计都解决了振动管测量计的上述问题，其方法是把流体的包容和流动敏感功能分成两个分离元件来执行。
角动量流量计常常是由叶片角度不同的两个叶轮构成。这两个叶轮放置在管子中，其中一个叶轮位于另一个的上游。两个叶轮由一扭力弹簧相耦联，这扭力弹簧允许两叶轮之间有一角位移。这种角位移代表了一与流体角动量变化成比例的位相差，而且可以用它来测定质量流速。
角动量质量流量计公开于下列文件中：
U.S.专利2943487
U.S.专利3232110
U.S.专利3877304
U.S.专利3958447
U.S.专利4012957
U.S.专利4438648
英国专利1069466
欧洲专利048568481
PCT document WO94/21990
M.P.Wilson，Jr.，A Survey of Mass Flowmeter，pp.63-68，
Instrumentation Technology，September 1971
角动量测量计存在两个基本问题。第一是它们对于流进流量计管子的流体的速度分布形式的灵敏度。这种灵敏度的存在是因为这些测量计测得的量是力矩，它是力和径向距离的乘积。沿管子中央流动的流体因为半径较小，因而在叶轮传感器上产生的力矩就较同样的流体在管子的周边附近所产生的力矩小。这些测量计还因为流体粘滞性的影响而存在有误差。叶轮和管壁上的粘滞阻力将使叶轮间的最终的流体角动量，速度分布，和力矩发生改变。利用科里奥利类型的转动质量流量计来解决速度分布问题也是众所周知的。这些科里奥利型测量计利用科里奥利力来代替待测质量流的流动流体的角动量。这些转动型测量计在使流体沿径向运动时仍保持流体的角速度恒定不变。这些测量计还利用了一些电机驱动的转子，在这些转子上具有一些流体流经其中的径向孔道。为了使转子以一固定的转速旋转，按理想情况来说，要求电机的力矩应与通过这些径向孔道的质量流速成比例。因而上述转子的力矩与质量流速和rpm成正比。可惜，由于密封轴承，和粘滞性引起的阻力加到转子的力矩上，从而引入了测量误差。使用电机还会导致测量计不能真正安全地应用在很多场合中。科氏旋转质量流量计发表在上述Wilson的论文中，同时在论文：“Mass Rate Flowmeter Measures Gas，Liquid，or Solids inProduct Engineering，”p.211，Sept.1953中也作了阐述。
问题的解决方法
本发明采用安装一个位相测量转子系统的方法来解决转动型科氏流量计所存在的问题。这种位相测量转子系统具有一个外转子，一个内(科里奥利)共轴转子和一根将两转子连接起来的柔性的扭力轴。通过流量计的质量流速可用测量外转子和科氏转子之间的转动位移来确定。两转子共轴地装配在一具有流体出入口的密封容纳壳中。外转子具有一挖空的凹座，科氏转子就装入其中。将一个盖子固定在该外转子的一侧上以便将科氏转子封入外转子中。流过对准孔道的流体使转子旋转并赋予转子一与该流体的质量流速成比例转矩。这转矩同样地施加给外转子和科氏转子。外转子也经受着粘滞性，轴承，和密封阻力的转矩，在本发明的一些实施例中，再加上驱动力矩。因为科氏转子是以与包围它的外转子相同的速度旋转，所以它并不经受这些阻力力矩而仅经受科氏力矩。科氏转子相对于外转子的总角偏转是与质量流速成比例的。
科氏转子的中心也是挖空的，以便它能容纳一个流体剪力退耦装置，该装置被固定在转子盖上并以相同速度转动。这剪力退耦装置可确保科氏转子不会经受由于中心入口/出口处流体的粘滞性或角动量产生的力。在科氏转子的所有侧面都存在有间隙，以便它能相对外转子进行共轴自由转动，只是在某种程度上受扭力杆的限制。在外转子和科氏转子两者中和在流体剪力退耦装置中都开有些流体传输孔。在圆盖盘上的流体进/出口中，这些孔道汇聚起来在轴向上形成一个流体进入或流出测量计的孔。使在外转子，科氏转子，剪力退耦装置中的径向孔和盖盘上的出/入口对准，以便流体能从它们中流过。
大量的不同实施例都是以双转子系统的形式公开的，这双转子系统包含一个外转子和一个共轴的内科氏转子，它被用来推导质量流速信息，其方法是用测量科氏转子围绕两转子共用的公共轴对外转子的角偏离量来进行推导。第一可供选择的实施例通过与流量计壳的一个内表面相切的入口接受流体并将这流体导向通过在外转子和科氏转子两者中的径向孔。该科氏转子上的一些孔将流体传送到该流体剪力退耦装置中相应的孔，该剪力退耦装置与外转子一起转动并把流体从由科氏转子的孔接受时的径向流动转变成适合于流量计的流体出口的轴向流动。在流体直接由科氏转子上的那些孔送到测量计出口以便沿轴向传送给与流量计相连的管路时，该转子将经受一些力的作用，而这流体剪力退耦装置就可把科氏转子与这些力隔离开来。
按照本发明的另一个实施例，科氏转子中的这些孔是沿径向的，而外转子中的那些孔有一90°的拐弯。在外转子中的每一个这样的孔的里面的开口都面对着相应的径向科氏转子孔的外端。每个这样的外转子孔的另一开口构成一个在外转子周边上的突起。这外转子朝一个方向旋转，使得外转子周边上的开口能当做一个勺“舀起”接受的流体并以较大的压力强制它通过科氏转子上的径向孔道，这压力比第一实施例的装置的压力大，在第一实施例中，外转子上的那些径向孔道的入口与外转子的周边是齐平的。
按照本发明的再一个实施例，科氏转子中的这些孔是沿径向的，而外转子中的那些孔都构成弯曲90°的元件，这些孔在外转子的内周上具有一个开口端，以便与科氏转子上的一个相应孔配合。这些90°的元件具有一个与外转子的外周边齐平的较小的开口，而且做成能完成喷嘴功能的构形。流体同轴地进入测量计，通过在科氏转子孔道的内端附近的该流体剪力退耦装置，流过科氏转子上的那些径向孔道，再通过包括每个90°元件的喷孔在内的外转子中的非径向孔道。
本发明的另一个可能的实施例包括一个具有同轴的流体入口和出口的直列式流量计。每个转子的转动轴都是与流体入口和出口共轴的，而且还设置了一个偏流器来接受从入口来的轴向流体流并将这流体流切向地施加到外转子的周边和它的那些孔中。
另一个实施例具有直列式的入口和出口，接受的流体可通过一流体剪力退耦装置，通过科氏转子上的一些径向孔道和通过外转子中的匹配孔道送到流体出口。
按照本发明的另一个实施例，科氏转子和外转子中的那些孔道都不是沿径向的，而是在一个包含这些转子的转动中心轴线在内的平面中被弯曲的。这弯曲既不影响科氏转子的转动也不影响外转子的转动。
按照本发明的另一个实施例，将一电机连接到那个在外转子中具有一些喷嘴样的开口的实施例装置上，以便给这转子系统提供一较高的转速(rpm)。这可提供一些改善的，用于测量科氏转子和外转子之间的角位移的输出信号。
按照本发明的再一实施例，科氏转子和外转子都被一电机所转动，以实现流体泵和质量流测量装置的双功能，从而提供由泵输送的流体的质量流的信息。外转子中的那些孔道这样加以弯曲，以使得它能提高这转子系统的抽吸能力。
在所有的实施例中，一些传感线圈和磁铁可产生表示科氏转子相对于外转子的转动位移的输出信息。第一组磁铁被镶嵌在科氏转子中；而第二组磁铁则被镶嵌在同外转子一起转动的装置中。第一组传感器线圈检测第一组磁铁的每一组的运动，而第二组传感器线圈检测第二组磁铁的运动。每一个线圈产生一个周期性的波动输出，两个输出波之间的位相差与科氏转子相对于外转子的角位移成比例，同样也与流量计中流体流的质量流速成比例。
本发明的所有实施例都提供有一个限制转动量的机械装置，这个转动量就是科氏转子对外转子的可能偏转角度。为了在启动和关闭流量计的过程中，使连接科氏转子与外转子的扭转轴不会经受过度的加速力，这种限制是一种较好的措施。
附图简介
图1和图2图示出了与科里奥利流量计工作相关的一些物理学上的力。
图3是本发明的一个可能的示范实施例的部件分解图。
图4是图3所示的设备的顶视图。
图5是沿图4中5-5线切取的剖视图。
图6是沿图4中6-6线切取的剖视图。
图7是沿图4中7-7线切取的剖视图。
图8画出了一个可替换图3所示装置的实施例。
图9图示出了与具有非径向孔道的外转子相关的一些力。
图10画出了一个在外转子中具有非径向孔道的另一实施例。
图11和图12画出了一个轴向上具有直列式入口和出口的流量计。
图13画出了一个科氏转子和外转子两者都具有非径向孔道的实施例。
图14，15，16画出了具有一些轴向入口和出口的另一实施例。
图17和18画出了另一实施例，它是电机驱动的流量计和泵的联合。
图19是图15的一部分的放大。
发明详述
图1画出了一个流管101，它有一流体质量段102以速度V流过其中。假设流管101以角速度ω绕支点104转动。在转动式科里奥利流量计中，流管101绕支点的转动并不是连续的，而这转动是一种振动，其特征是，流管101先是绕支点104朝一方向转动，接着又朝反方向回转。这样做的理由是由于一些机械问题，如象要提供所要求的密封和这密封施加的阻力的原因，对于惯常的流量计来说要使流管连续转动是不可能的。但是，这个限制却被本发明的装置所克服。
图1和图2的描述中假设流管101以角速度ω绕支点104逆时针转动，如向量ω所定义的那样。在这条件下，当上述流体质量段102以速度V离开支点104时，它将经受一科里奥利加速AC。因为使流体质量段102经受科里奥利加速度的是流管101的管壁，所以流管101的壁将经受科里奥利力Fc。
如图1所示所产生的科里奥利力Fc可表示如下：
Eq.1 Fc＝MAc其中，Fc＝作用在管子上的科里奥利力
M＝流体质量
Ac＝科里奥利加速度。
从物理定律可知，科里奥利加速度Ac可以表示成：
Eq.2 Ac＝2( ω×V)其中，ω＝流管的角速度
V＝流体速度
将方程2代入方程1，则可将流管上的科里奥利力表示为：
Eq.3 Fc＝M×2( ω×V)
科里奥利加速度Ac是当流体质量段以速度V通过流管101离开支点104时流体质量段102所经受的切向速度的变化率。方程2可以通过了解流体质量段在时间间隔δt内经过一有限距离和了解在这时间间隔内该液段102离支点104的距离的增加来直观地理解。如果这液段102最初在离支点104一段距离R处，则在经时间间隔δt后这液段将在距支点R+δR的位置上。在流管上的任意一点的切向速度是流管转动的角速度与该点离支点104的距离的乘积的函数。在时间间隔δt之末，液段102进一步离开支点104一段距离δR。情况果真如此，则当液段102离支点104的距离为R+δR时，在经过时间间隔δt之后，液段102就会以更大的角速度运动，这个角速度比时间间隔开始时在离支点的距离为R处的角速度大。切向速度的这个增加量除以时间间隔δt就等于流体质量段102的科里奥利加速度Ac。当然，在这时间间隔内流体质量段102的线速度V保持不变，即使在流体质量段102进一步移动和进一步离开支点104时，流体质量段102的切向速度增大时也是如此。
从方程3可以看出，图1中表示的科里奥利力Fc是与流管101中流动的流体的质量M成比例，同时也与流管101绕支点104转动的角速度ω成比例，还与流体质量段通过流管的移动速度V成比例。
已经提及过，转动型的科里奥利质量流量计是人们所熟知的，在它里面，当流体横过径向通路时，流体的角速度保持恒定。这是通过提供一个具有一些径向流体流过孔道的转子来实现的。现行技术的转动型科里奥利质量流量计一般是利用一个电机来旋转流体流过的转子。本发明的转动型科里奥利质量流量计的一些实施例并不使用电机，而是利用流动流体动力学来旋转这个转子。
图2和下面的讨论都描述了当流体流过这转子中的径向孔道(或管子)时，施加于旋转转子并与这转子相关联的一些力。在图2上，Ah是图1中的流管101的内部面积。流体质量段102与图1中的流体质量段102是等价的，而且它具有厚度δR和横断面积Ah。这液段102的质量可表示成Q AhδR，其中Q是构成液段102的物质密度，Ah是液段102的横断面面积，δR，是液段102的厚度。
流管101的下部是在离包含支点104的轴103距离为R1处。102是在离支点104距离为R的位置，而流管101的顶端离支点104距离为R2。
下面描述了由于在流体连续流过流管101时流管101因科氏加速度所经受的转矩。流管101被假定是图3所示(但在图2中却没画出)的转子中的一个径向孔道。
从力学定律可知，该流管上的转矩可以表示成：
Eq.4 τ＝R×Fc
τ＝转子上的转矩
R＝到施力点的半径
Fc＝科里奥利力
将由方程3中得到的科里奥利力Fc值代入，则转子转矩可表示成：
Eq.5 τ＝2RM( ω×V)
为了对整个流管长度求得总转矩，必须将方程5表示成微分形式。
Eq.6 δτ＝2RδM( ω×V)
可以看见，方程2中的流体质量段102的增量部分的质量等于：
Eq.7 δM＝ρAhδR
ρ＝流体密度
Ah＝孔道截面积
将方程7的δM值代入方程6可得：
Eq.7.5 δτ＝2RρAhδR( ω×V)
从图2的半径R1到R2对方程7.5取积分就可求得总的转矩。因而即可得下面的表达式：
Eq.8τ=∫R1R22RρAhω-VδR]]>
其中，R1＝转子101的内侧半径
R2＝转子101的外侧半径
ω与V相互垂直，而且它们可当做标量简单地相乘。
流动物质，如象图2中的液段102所示的物质的质量流速可以推导如下：
Eq.8.1 δM＝ρAhδR
Eq.8.2δMδt=ρAhδRδT]]>
但δRδt=V]]>
和δMδt=M•]]>
Eq.9M•=ρAhV]]>
用方程9的项取代方程8中的ρAhV项则可得到下述表达式：
Eq.10τ=2∫R1R2M•ω-RδR]]>
方程10可简化成：
Eq.10.5τ=2M•ω∫R1R2RδR]]>
完成积分，对于加在图2中流管101上的转矩τ可得下述表达式：
Eq.11τ=M•ω(R22-R22)]]>
方程11表明一个转动管，如象图2中的流管101上的转矩与运动流体的质量流速以及转子的角速度(转动)成正比。对于现行技术的电机驱动型转动科里奥利流量计来说，质量流速是通过测量电机上的负荷来测量的。但是由于密封，轴承，和粘滞性造成的阻力可改变转子的转矩，因而在确定这些现行装置的质量流速时可能引入一些误差。
按照本发明的一些实施例，使用了转动式科里奥利质量流量计，在这种装置中，流量计的转子由运动的流体所驱动。这能使流量计对于所有的应用来说都是真正安全的，而且避免了轴密封的一些固有的问题。在本发明的一个实施例中，流体流进与外转子相切的流量计壳，并流过外转子中的径向孔道，再流经内部的(科里奥利)转子中的径向孔道，最后从位于外转子盖中心的流量计出口流出。暂时忽略阻力，则流进流体的角动量就是守恒的，因而转子中的流体具有与流进的流体相同的平均比角动量。因此，相对于外转子的转子角速度，科里奥利转矩，和科氏转子相对于外转子的角位移都可被测量和计算，从而确定该流体的质量流速。
图3，4，5，6和7的实施例
图3公开了本发明的第一个可能的优选示范性实施例的分解图。这个实施例包括一个圆筒形流体容纳壳301，一个外转子307，一个内转子或科氏转子314，一个转子盖317以及一个壳盖303。入口302有一开孔327，它是流体容纳壳301的一部分，而出口也有一开孔337，它是由法兰306固定在壳的顶盖303上。在使用时，可将外转子307和科氏转子314安放在流体容纳壳301的内腔338中。轴331的上端可固定地连接在外转子307的平板部分340上，而它的下端与止推轴承334和轴承杯333可转动地啮合，轴承杯中还有一弹性挡圈339。用这种方法，外转子307就能随它的轴331自由地转动，而且它被放置在壳301的流体容纳腔338中。
扭力轴329是一细长的可弯曲的扭力杆，它被安置于轴331的内孔的中心部分，而且借助于定位螺栓332与轴331可固定地相连。扭力轴329伸过外转子307的平台部分340中的一个开孔(图3中未画出)然后与科氏转子314的底部压配相连，这详细地示于图6中。在使用时，将科氏转子314安置于外转子307的内腔341中，而且牢固地固定在扭力轴329的顶部。扭力轴329的挠曲能力使得科氏转子314能相对于外转子307转动一有限的角度。科氏转子314相对于外转子307的这个转动角受到一些部件的限制，这些部件随后会结合图4和图5详细描述。
转子盖317的上表面包括一轴套319，该轴套可承纳与流体出口304的底部配合的密封件321。密封件321的顶部紧贴着壳盖303的底部。密封件321确保流体必须流过转子307和314的孔道309和312，到达流体的出口304。壳盖303的顶部表面包含容纳线圈323和324的开孔357和346，这两线圈用来测定当流体流过图3所示的流量计时科氏转子314与外转子307之间的角位移。
在使用时，将科氏转子314放置在外转子307的内腔341中。然后将转子盖317借助螺栓并通过螺栓孔311固定到外转子307的顶部表面。然后将这个局部组合件安放进壳301的内腔388。借助螺栓和螺栓孔326和328将壳盖303固定到流体容纳壳301的顶部表面上。然后把组装好的流量计与管路(未画出)相连接，管路的供液部分与流体入口302相连，而这管路的下游部分与流体的出口304相连。当经过入口302的开口327通到壳301内部的流动流体通过外转子307的径向孔道309，通过科氏转子308的径向孔道312和通过流体剪力退耦装置442的孔道443时，这流体就会使外转子307和科氏转子308反时针转动。上述的剪力退耦装置可固定地连接在转子盖317的下表面上。这流体向上行进通过流体出口304到达正被流量计检测的管路。
流体流过转子307和314的径向孔道309和312就会使这两转子反时针转动。在这样转动过程中，由于科氏转子经受科里奥利力的缘故，科氏转子314相对于外转子307就会偏移一个角度。这个角偏离为扭力轴329的挠曲能力所允许。线圈323与镶嵌在转子盖板317中的磁铁344相配合。线圈324与镶嵌在转子盖板314中的磁铁316相配合。当与线圈配合的磁铁通过线圈时，每个线圈就会在线路352和353中产生输出信号。每个线圈的输出信号是一个周期性的波，这起因于与每个线圈配合的磁铁的多重性。线路353和353上的信号被加到测量计的电子学线路中，电子学线路接收到信号352和353时就能确定出质量流速和获得其他的信息。
线圈323可控地安置在开孔346中。这使线圈323的位置能被调节，以使得在测量计没有流体流动时两个线圈的输出的周期波能彼此重合。为了校正的目的这是必须的。线圈323在开孔346中的位置被固位元件348和拧进开孔347的螺栓349所锁定，固位元件348的底部夹紧在线圈323的顶部表面以防止它进一步移动。一旦校正，这两个线圈在测量计没有流体流动时，它们输出的周期波就会彼此重合，但在有流体流动时则彼此就会有一偏离或位相移动。这个位相移动与流量计中的流动物质的质量流速成比例，因而借助于测量计的电子线路351这相移即可被用来测量上述物质的质量流速。
图4进一步公开了图3所示结构的细节，尤其是，这个图是图3所示结构的顶视图。图4上所画的是具有入口302及入口开口327的圆形流体容纳壳301。从管路(未画出)的供液部分流出的流体通过开口327进入容纳壳301的内部。流体反时针运行，如图4所示。流体进入到在壳301的内圆筒表面405和外转子307的周边406之间形成的空间407。该流体在圆环区域407中反时针行进并进入外转子307的径向孔道309的开口。这些流体基本上是进入外转子307的径向孔道309，并从这些孔道通过科氏转子314中的相应孔道312。该流体接着向科氏转子314的中心行进并最终进入流体剪力退耦装置342的开孔343。使流体剪力退耦装置342的开孔343与科氏转子314的每一径向孔道312紧密配合。这样做后，流体剪力退耦装置342就会接受从转动的科氏转子314的那几个径向孔道312流出来的流体并再把这流动流体改向汇入一单一的轴向通路，该通路包括出口337的开口337在内。
几个螺栓孔326把壳盖303固定在流体容纳壳301的顶部表面上。图4上还画出了科氏转子314上的几个磁铁316和镶嵌在转子盖317中的几个磁铁344。每块磁铁344都这样安置在转子盖317上，使得与有螺纹的螺栓孔318交替出现，如图3所示但图4中却没画出。换句话说，螺栓孔318和磁铁344安置在靠近转子盖317周边的一些相互间隔的位置上。线圈324检测磁铁316的运动而线圈323则检测磁铁344的运动。元件349和348能使线圈323的位置在开孔346中可控制地进行调节。线圈324的位置则是不可调的而是密配在开孔327中。
图4和图5画出了安置在科氏转子314的凹槽401中的销钉402。如图5所示，销钉402的顶部是镶嵌在科氏转子314中，而销钉402的底部则是安置在开孔401中，如图4所示。销钉402和开孔401限制着转子314和307彼此可以角偏移的量。这个角偏移的限制也限制了加在扭力轴329上的应力。这在启动状态时是特别有用的，否则这时科氏转子314的位移就可能大到足以损坏扭力轴329。其它的具体机械装置也是可行的。这样，就可将销钉402镶嵌在科氏转子314中，而且让其伸进外转子307的开孔中。此外，还可将销钉402镶嵌在转子307的外壁507上，而且让它从图5旁边伸进科氏转子314周边上的一开孔中。销钉403和开孔404以与销钉402和开孔401相同的方式对科氏转子314的角位移提供了同样的限制。流体空间407就是在外转子307的壁507，外转子盖317和流体容纳壳301的内表面以及壳盖303的下表面之间的空间。
图6进一步画出了图3所示装置的细节。它是沿图4中6-6线切取的垂直剖面图。图6所画的是包含外转子307，科氏转子314，以及外转子307的孔道309和科氏转子314的孔道312在内的流体容纳壳301。将轴331的顶部可固定地连接在外转子307的下部，而且将它的底部借助于挡圈339固定在止推轴承334上。将这整个组合件安放在轴承杯333中，这个轴承杯具有一个盛放润滑脂等的开孔601，而且它把轴承盖336的上部与止推轴承334和轴331的底部分开。扭力轴329在轴331的内部并与之共轴，它的底部是借助曾说过的螺栓332固定在轴331上，而它的上部是牢固地固定在科氏转子314的底上。流体空间407包括壳301的内壁，外转子307和转子盖317三者之间的空间。线圈323和324图示出是安放在壳盖303内。相关的磁铁344和316图示出是分别镶嵌在转子盖317和科氏转子314的顶部上。
流体剪力退耦装置342详细图示在图6中。流体剪力退耦装置342的孔道343接收从科氏转子314的径向孔道312里面部分313流来的流体并将流体流改向流到流体出口304的开口337。将流体剪力退耦装置342可固定地连接在转子盖板317的底上，既而通过螺栓318又将盖板连接到外转子307上。这种流体剪力退耦装置342和外转子307之间的直接耦连确保了流出科氏转子314的流体最初具有与科氏转子相同的角速度。因为流出的流体正以与科氏转子相同的速度转动，所以它不可能施加一个由粘滞性剪切力产生的力矩到科氏转子上。科氏转子314对流出流体粘滞性的不良影响的隔离提高了质量流测量的精确度。在一些实施例中，开孔337就是流体的入口。在这些实施例中剪力退耦装置342也起着同样的退耦作用。
图7进一步画出了图4所示装置的细节。图7上所画的是流体容纳壳301，外转子307和科氏转子314。另外还画出了外转子307中的径向孔道309和科氏转子314中的径向孔道312。流体容纳壳301内部与外转子307外部之间的区域407接收从入口302的开孔327流入的流体流。这接受的流体在空间407中反时针流动并进入外转子307中的径向孔道309，既而流过科氏转子314中的径向孔道312，并最后在流体出口304流出这个测量计。在这过程中(In so doing，)，产生了科里奥利力，这力就引起了前面提到的科氏转子314和外转子307之间的角位移。如前所述，角位移的大小可用与磁铁344和316相配合的线圈323和324来测量。流体剪力退耦装置342与外转子307一齐转动，并接受从科氏转子314的径向孔道312中流来的流体流，再将这流体流改变方向使之向上从流体出口304和其开孔337流出。
这联合转子的角速度可以从角动量守恒定律来确定。流入的流体的角动量是：
Eq.12 Ii＝MiViR2
其中，Ii＝流入时的角动量
Mi＝流入流体的质量
Vi＝流入流体的速度
R2＝外转子的外周半径
Eq.13IiMi=ViR2]]>
其中，Ii/Mi＝流体的比角动量
在联合转子中转子的角动量可由在R范围上取积分来确定。外转子和科氏转子被认为是一个单一的装置。R2是外转子307的外半径，R1是流体剪力退耦装置342的轴向出口孔的半径。
把方程12转变成微分方程，就得到转动流体的角动量：
Eq.14 δIR＝δMRVRR
其中，
IR＝转动流体的角动量
IMR＝转动流体的质量
VR＝转动流体的切向速度
从方程7，可得：
Eq.15 δM＝ρAhδR＝πr2ρδR
其中，r＝转子中径向孔道的半径
ρ＝流体密度
因为方程14中的VR＝ωR，替换后，再将方程15代入方程14并积分即得：
Eq.16IR=∫R1R2(πr2δRρ)(ω-R)(R)]]>
其中，R1＝转子出口半径
R2＝转子出口半径
ω＝转子的角速度
整理方程16可得：
Eq.17IR=πr2ρω-∫R1R2R2δR]]>
完成对方程17的积分，则得到：
Eq.18IR=(πr2ρω-)(R23-R13)3]]>
从方程13，转子中流体的每单位质量的比平均角动量可用转子中流体质量除方程18来确定。而流体的质量等于径向孔道的体积与流体密度的乘积。这样即得到下面的表达式：
Eq.19IRMR=(πr2ρω-)(R23-R23)3πr2ρ(R2-R1)]]>
约简方程19即得：
Eq.20IRMR=ω-(R23-R13)3(R1-R1)]]>
如果假定出口孔半径R1与外转子外径R2相比起来是很小的(为0)，则方程20就变成：
Eq.21IRMR=ω-R223]]>
从角动量守恒可知，转子中的流体的比角动量，IR/MR，等于流进流体的比角动量Ii/Mi。这时从方程14，21可得：
Eq.22ω-R223=V2R23=ViR2]]>
其中：V2＝ωR2，可得：
Eq.23 V2＝3Vi
这里，V2＝在R2处的转子切向速度
Vi＝流入的流体速度
这些计算表明，外转子307周边的切向速度是流入流体的切向速度的三倍(忽略阻力)。试验结果已经表明，即使存在粘滞性和轴承阻力的情况下，转子周边的速度也比流入流体的速度高。当流入流体进入外转子时，它就突然被切向加速。当这流体继续沿径向向内行进时，它的切向速度随半径而减小直到到达转子的转轴附近其切向速度就几乎为0。由于流体的突然加速，以及流体的粘滞性阻力和轴承阻力，外转子307经受着阻力力矩的作用。由于切向(科里奥利)减速，在转动方向它也经受一力矩。科氏转子314由外转子所封闭，因而仅在转动方向上经受科里奥利转矩。在平衡时，科氏转子提供驱动转矩，而外转子则提供大小相等而方向相反的阻力转矩。
扭力轴329把科氏转子314连接到外转子307上，这就允许两转子之间有一与转矩成比例的角位移。这角位移可通过磁铁316和344在线圈323和324中产生的电压来测定。磁铁316被固定在科氏转子314上，而磁铁344则被固定在转子盖317上。使用磁铁数是足够多的，以便在线圈中可感应出一连串的电压峰，从而在每个线圈中得到一近似正弦波的输出。
在流量计装配过程中就将对由线圈323和324产生的周期波输出加以校正，使得在零流体流时两输出波之间没有位相角。这可通过用一电机使转子旋转的方法来做到，这时需要将流量计排空并将轴承杯336取去，以便能将电机临时地连接在转子的转轴上。使线圈323运动是为了改变线圈323和324的周期波输出之间的相位角。经正弦波校正(相位角为0)后，就可将线圈323锁定到位。在测量计输出校正后，可以证明，两正弦波通过的时间间隔是与质量流速成比例而与转子的转速(rpm)无关。
这可表示如下：
Eq.24 φ＝ωT
其中，φ＝角位移
ω＝角速度
T＝两波之间的时间间隔
但是
Eq.25(力矩弹性方程)
其中，τ＝科里奥利力矩(方程11)
Ks＝力矩弹性常数
于是由方程12，25有Eq.26φ=ω-T=M•ω-(Rc22-Rc12)Ks]]>
可注意到RC1和RC2是内(科氏)转子的内，外半径。
这样，
Eq.27T=M•(Rc22-Rc12)Ks]]>
方程27表明介于磁铁穿过过程之间的时间间隔与质量流速成正比。这时间间隔与轴承的阻力，粘滞阻力和转速无关。这样，本发明就克服了早先转动质量流量计所存在的问题。
借助本发明的装置所进行的质量流速测量与转子的转速(rpm)无关的事实就给出了另一个优点。它能允许外转子中的流体通道(径向孔道)做成某种形状，以便减小在测量计上的压力降落。工业上试图尽量减小流体系统的压力降落，因为这会浪费能量。所有的科氏测量计都会在流动流体中产生压力降落。在图3所示测量计中的压力降落主要起源于流体必须顶着旋转转子的离心力沿径向向内流动。该转子的转速(rpm)和流量计的压力降落可能通过使流体通路弯曲而尽可能减少，使得它们在转子的周边的开孔都面向转动方向，如图8所示。
图8所示的实施例
图8公开了一种与图3所示相似的转动科氏流量计，但在外转子的外周边上有一些勺状口以便减小转子的转速RPM。这个实施例包括一个流体容纳壳301，流体容纳壳上有一切向入口302，这入口的开孔327能使流体流进测量计的内部空间407。图8所示流量计具有一个外转子807和科氏转子314。空间407包含流体容纳壳301的内表面和外转子807的外表面，以及它的盖(图8上未画出)303三者之间的区域。除了在外转子807外周上有一些锯齿801外，外转子807与图3中的外转子307差不多。科氏转子314有一些径向孔道312，这与图3所示的实施例中的科氏转子314相同。图3所示实施例的外转子307中的孔道309被图8所示的实施例的外转子807中的直角元件802所代替。将每个直角零件802的内孔804与科氏转子314中一匹配径向孔道312对准。在外转子807中的直角零件802的另一开口是一个象勺的开口803。将科氏转子807每一径向孔道312的里面的终端与流体剪力退耦装置342中的孔道343对准，这里的剪力退耦装置342的作用与图3所示实施例中的流体剪力退耦装置342的功能相同。也就是说，流体剪力退耦装置342接受来自径向孔道312的流体流并将这流体流沿轴向向上导引，以便这流体流能通过流体出口304的开孔337流出流量计而却无流体剪切力加在科氏转子314上。
方程23表明图3所示的实施例的外转子307的周边上的速度是流进流体速度的3倍。在图8所示实施例中，外转子807周边上的速度稍稍大于流进流体的速度。但是，在外转子807旋转的速度大于流进流体的速度时，直角零件802的开孔803就能将空间407中的流体舀进来。这就迫使流进的流体进入直角零件802的开孔803，既而通过外转子807及科氏转子314的径向孔道312。在这过程中，流入流体的动能就转变成流体的压力，它降低了转子807和314的转动速度，减小了流量计两端的压力降落。由这种能量转变所产生的反作用力也可引起科氏转子和外转子的转动，以减慢，因而减小作用在流入流体上的离心力。这反过来又减小图8所示的科里奥利流量计内的压力降落。图8所示的实施例在所有其它方面都与图3-7所示的实施例相似，所说的其它方面包括转子807和314彼此之间和这些转子与壳301之间怎样通过轴，轴承等等进行连接。
转子孔道的弯曲-图9
虽然外转子的孔道可以是弯曲的或者是具有一些直角零件802，但科氏转子的孔道312却不能这样，这是因为孔道的弯曲所引起的反作用力会在科氏转子上产生一与流体的速度成比例，而且还与流体的密度成比例的力矩。这是不希望的。这种速度相关性可借助于图9，把流体的加速力分成两个相加分量来说明：具有直通道的转子旋转所产生的力和由通道弯曲所产生的力。旋转转子的力矩分量已经解出(Eq.11)。弯曲分量的力矩的求解可用将任何弯道，如元件902分解成一系列的具有恒定半径的短的弯曲部分来加以简化。因而可将对于恒定半径的弯道求解推广到任意弯道的求解。在图9上，画出了流体通道902的弯曲部分的曲率中心901，其位置相对于转子轴903来说是任意的。作用在这个弯曲的流体流部分902上的力可由下面表示的著名的离心力方程来计算：
Eq.28Fcurve=MV2r]]>
其中，
M＝质量
V＝速度
r＝曲率半径，907
作用在图9中弯曲通道902上的离心力的微分方程为：
Eq.29δFcurve=δMV2rcosθ]]>
其中，δM＝流体质量的微分
V＝流体速度
r＝曲率半径
作用在每个微分质量元912，δM上的微分力，δFcurve914是在管子部分902的径向上。θ是δFcurve914与线906之间的夹角，线906是弯曲的流体流通道902的具有恒定半径的部分的平分线。δFcurve914被分解成它的垂直的两分量δFcurve sinθ(916)和δ Fcurvecosθ(913)。当对整个弯曲部分的力求和时正的θ角的正弦分量将抵消负的θ角的正弦分量。δFcurve的余弦分量都是正的而且与线906平行，因而是可加的。因此总的离心力方程变成：
Eq.30Fcurve=∫-θc2θc2δMV2rcosθ]]>
其中，θ＝微分力914和弯道的平分线906之间的夹角，
θc＝弯曲的流体流通道长度的张角
但
Eq.31 δM＝ρAhrδθ
其中，M＝ρ×体积
＝ρ×Ah×长度
＝ρ×Ah×rδθ
ρ＝流体的密度
Ah＝通道的横截面积
θ＝弯道的张角弧度
因而，
Eq.32Fcurve=∫-θc2θc2ρAhV2cosθδθ]]>
方程9将表示为
Eq.33M•=ρAhV]]>
将方程33代进方程32，则得到：
Eq.34Fcurve=∫-θc2θc2M•Vcosθδθ]]>
完成方程34的积分，得到：
Eq.35Fcurve=2M•Vsinθc2]]>
由力矢量906，作用在转子上的力矩等于Fcurve和矢量R(904)的叉乘，这个R就是把转子的转轴与曲率中心连接起来的矢量。
取这两个矢量的叉积代替Fcurve的方程35，可得：
Eq.36τcurve=2RM•Vsinθc2sinα]]>
其中，R＝从转子中心907到弯道曲率中心901的径矢量904
α＝矢量904和906之间的夹角
方程36中的重要因子是流体的速度，V。作用在转子上的力矩与流体的速度成比例的事实意味着以相同的质量流速流动而密度不同的流体将会导致不同的力矩读数，因而指示的质量流也是不同的。这是人们所不希望的。为了使测量计对流体密度不敏感，科氏转子中的流体通道在转子平面中不应有弯曲。但是若流体通道是弯曲的同时又是在包含转子轴的平面内则并不会严重引起产生在上述转子上的科里奥利力矩。在这种情况下，离心力矢量与转子轴相交，在转子上并不产生力矩。为了在转子上产生力矩，得施加偏离转子轴的离心力矢量。
图13画出了这种科氏转子314中的一个弯曲通道，这种科氏转子的力矢量与转子轴1304共面。如果情况是这样，由于通道弯曲引起的力矢量对转子的转动没有影响。另一方面，如果将径向孔道，如象图8所示的科氏转子中的312，这样弯曲，使得弯曲是在转子平面中，因而在图8中可以看见，则合力矢量就不会与科氏转子的中心轴相交，因而就会产生一合力矩，这就会使科氏转子产生一相对于外转子的角位移。
图3和图4所示实施例的外转子307中的孔道并不必是径向的，如果需要也可象图8所示那样是弯曲的，以便减小转子转速RPM和流量计两端的压力差。尽管外转子的孔道的曲率对于外转子807和科氏转子314的角速度都有影响，但对于流量计的科里奥利质量流的测量能力却没有影响，这是由于科氏转子相对于外转子的转动时间的延迟才是极为重要的因素。同样，如象流体粘滞性，轴承阻力以及其他的损耗等因素都可能使科氏转子和外转子两者的角速度减慢。但是，单独对科氏转子却不存在有结果的影响。科氏转子相对于外转子的时间延迟维持不变，而且不受流体粘滞性，轴承摩擦，或外转子的孔道曲率之类的因素的影响。总的来说，外转子的流体通道并不一定要是沿径向的，如象在图8中所示那样可以弯曲，以减小转子的转速RPM和在测量计上的压力降落。
喷流式转子实施例-图10
图10所示实施例描述了一个与外转子1001同心的科氏转子314，这个外转子的外周有一些喷嘴状的开孔。在这个实施例中，流体通过入口304的开口337在中心进入该流量计，当流体通过旋转科氏转子314中的径向孔道312和外转子1001中的孔道1002向外流出时，它就沿切向加速(科里奥利加速)。在外转子1001中，流体孔道1002具有一90°的拐弯，以便流体通过喷嘴状开孔1003沿切向流出。当流体在孔道1002中作90°的拐弯时，产生流体的反作用力，这个反作用力就会使外转子1001发生旋转。限制喷嘴状开孔1003的面积可以获得附加的转动速度。这使流体加速并把附加的反作用力施加到外转子1001上。图10所示的这种实施例象先前讨论过的实施例那样用测量外转子和科氏转子之间的角偏移的方法精确的测量流体的质量流动。
喷嘴推动的转子的平衡角速度对于无摩擦的情形是可以计算的。为了达到平衡，推力力矩应与科里奥利效应产生的阻力力矩大小相等方向相反。喷嘴1003的推力可从流体改变方向加速时流体的角动量的变化来确定。
众所周知：
Eq.37Ft=ρVj2Aj]]>
其中，ρ＝流体密度
Ft＝喷嘴的推力
Vj＝喷嘴中流体速度的变化
Aj＝喷嘴面积
从方程4，可将力矩定义为：
Eq.37.1 τ＝RF
其中，F＝力
R＝距离
将方程37代入方程37.1，可得：
Eq.38τj=ρVj2AjR2]]>
其中，τj＝驱动力矩
R2＝转子外半径＝到喷嘴的半径
从方程9，可得：
Eq.39ρVA=M•]]>
将方程39代入方程38，可得：
Eq.40
Eq.41M•VjR2=M•ω-(R22-R12)]]>
由于转子处于平衡态，科里奥利力矩应等于方程40中的喷嘴推力力矩。
从方程41两边消去M得到：
Eq.41.5VjR2=ω-(R22-R12)]]>
如果把轴向入口半径R1用0来近似，则得到：
Eq.42VjR2=ω-R22=V2R2]]>
其中，V2＝转子的切向速度
注意到：V2＝ωR2，则有：
Eq.43 Vj＝Vt
其中，Vi＝喷嘴的流体速度
Vt＝转子的切向速度
这表明，对于无摩擦系统来说，外转子的周边速度与喷嘴出口的流体速度大小相等方向相反。这样流体在离开该转子时其角速度为0。这是有意义的，因为它进入转子时的角速度为0，而且转子轴承又假定没有摩擦。这与图3所示的实施例相反，在那里转子的切向速度大约是流体速度的3倍。相对于图10的实施例而言，如果喷嘴的流体速度精确等于转子的切向速度，则就不会从出口302的开口327流出。在使用时，这并不是一个问题，因为由于轴承损耗和流体的粘滞性损耗，转子的切向速度Vt是小于无摩擦情况的切向速度的，因而Vt是小于Vj的。这使得流体速度向图10的右侧运动并通过出口302的开口327流出流量计。图10的实施例是如何与壳301相连接的机械方面的细节在图10中并没画出，这是因为这些细节与图3+7中所示的相同。
电机辅助喷嘴模式-图10
图10所示的喷嘴转子的实施例对于某些应用来说具有一些胜过先前一些实施例的优点，因为流体沿径向向外流动，因而离心力就会加强这流体的流动，并减少了压力的降落。在图10所示的喷嘴模式实施例中压力降落的主要原因是起源于外转子1001的喷嘴1003中流体的加速。这种加速可能因喷嘴面积增大而变小。这可能导致在高流速下的转子的低转速RPM和低的压力降落。这对于流速是在高速流动和0速流动之间交替发生的应用情形，如象货车载货或密闭输送情形那样，是有利的。可惜，这种设计在低流速下会导致性能变坏。
低流速特性不好是因为转子速度低所致。转子速度在两个方面影响精度。第一方面是显然的。在很低的流动速度时阻力变得比推力大而且转子可能停转。没有周期波从线圈323和324输出(图2)，这意味着流动情形的测量是不可能的。转子转速影响精度的第二方面是更敏锐的。方程25表明从线圈323和324产生的周期波之间的时间延迟是与转速RPM无关的。在低转速RPM下信噪比下降。
在时间延迟测量方面的噪音可能是起源于电学方面的原因，也可能是起源于机械方面的原因。起源于机械方面原因的噪音的一个例子是科氏转子的小角振动，这种振动可能是由于环境(管路)扭曲振动所引起。这种振动会导致起源于科里奥利力的转子位相角的不确定性。输出信号的电噪音也会导致位相角的额外的不确定性。在低流速下可以认为噪音是与流速无关的。在考虑噪音时可从Eq.24，将时间延迟方程表示在下面。
Eq.44T=φ±γω-=φω-±γω-]]>
其中，T＝时间延迟
Φ＝位相延迟
γ＝相角不确定性
ω＝角速度
从方程11可知，这位相延迟Φ与ω成比例。
Eq.45φ=τKs=M•ω-(R22-R12)Ks]]>
其中，KS＝扭力弹簧常数
将方程45代入方程44，得到：
Eq.46T=M•ω-(R22-R12)Ksω-±γω-]]>
消去ω，可得：
Eq.47T=M•(R22-R12)Ks±γω-]]>
注意，当时间延迟T中由流动引起的的部分与ω无关时，则时间延迟的不确定部分就在分母中包含有ω。因而在很低的转速下时间延迟(和流速)的不确定性就变得很大。
克服图10所示的喷嘴模式测量计的这些固有的低流速问题的一个方法是把轴331伸过流体容纳壳301并用电机按图17所示的方式转动外转子1001，这里，电机1701是与轴331相连接的。因而，转子1001即使在低流速下也能迅速旋转，而且在信号噪音极大地减小时，这个时间延迟T仍然保持不变。在高流速下，来自流体喷嘴的推力可提供大部分旋转动力，而且要求的电机功率也是较小的。
现行技术的转动型科里奥利流量计为了确定单个转子上的科里奥利力矩都曾有过电机驱动装置和测量过驱动电机上的转矩。因而这些流量计都受转子上的轴承阻力，密封阻力和粘滞阻力的影响。这些阻力在流体流测量中产生过误差。本发明由于将它的转子包含在一个转子结构中，把科里奥利测量转子与上述的阻力源隔绝开，因而可得到一个很为精确的测量计。
总的来说，图10所示的具有辅助电机的喷嘴模式是一种能在一宽流速范围上进行精确测量的测量计。此外，在高流速下这种测量计只有很小的压力降落和很低的能量消耗。
图13所示的弯曲孔道实施例
图13描述了一种稍微类似于图6所示的流量计，在这种流量计中包含有一个外转子307，一个科氏转子314，外转子的轴331和科氏转子314的扭力轴329。在图6中，科氏转子314中的孔道312和外转子307中的孔道309都是沿径向的。相反，在图13上科氏转子314中的孔道1302象外转子307中的孔道1301一样是弯曲的。孔道1302和1301的弯曲既对两个转子的转动没有影响，也对科氏转子314相对于外转子307的角位移没有影响。其理由是由孔道1302的弯曲产生的任一力矢量，例如，如象力矢量1306，都是在包含转子系统的轴1304的同一平面内。因而矢量1306就不可能对转子系统的转动发生影响。为了清楚起见，图7所示的科氏转子314的孔道312的任何弯曲都会产生一个力矢量，这个矢量不在包含转子系统中心轴的平面内，因而，合力矢量就会对图7所示的转子系统的转动发生影响。图13所示的装置只是画出了一个大概，因为图13所示的装置除了科氏转子314和外转子307中的孔道1302和1301分别都是弯曲的外，其余都与图6所示的装置相同。
外转子307和科氏转子314怎样通过轴杆之类的元件与壳相连的细节并未在图18中画出，因为这些都与图3-7所示的相同。
轴向入口和出口-图11和12
图11和12描述了一种直列式转动科里奥利流量计1100，它具有与流量计转子系统的中心轴共轴的一个流体入口1102和一个流体出口1106。流量计1100还包括流体容纳壳1101和流体容纳壳盖1104，后者是通过几个螺栓1117固定在前者1101上。装在流体容纳壳1101内的流量计元件包括一个安装在中心轴1123上的外转子1114，一个科氏转子(未画出)，这科氏转子被放置在外转子1114内腔中，而且把它的扭力轴安放在轴1123中。外转子1114包括几个与科氏转子的相应孔道配合的孔道1116。将流体出口1106放置在套筒1108中，这套筒通过螺栓(未画出)固定在壳盖1104上。轴1123通过轴承1121和1119以及轴杆1123左边的定位环1122限位在元件1112中，如图11所示。
在使用过程中，流体经由开口1103进入流量计1100，并由元件1111，1112和1113引导到外转子1114的周边和外转子的孔道1116中。元件1111和1112的通道1113被弯曲成图12所示的样子，以便将进入开口1103的轴向流体流在它流出通道1113进入液腔1124时转变成切向流体流，该液腔就是外转子1114的外周和流体容纳壳1101的内表面之间的空间。通过通道1113，流体进入液腔1124，因而它的流动相对于外转子1114的周边是沿切向的。这种切向流体速度使得转子系统，包括外转子1114能绕其轴1123转动。流体以与早先对前面实施例，包括图3和图7所示的实施例所描述的相同方式进入孔道1116。这样，流体进入旋转着的外转子1114的孔道1116，通过科氏转子中的相应孔道并通过一与图3中所示的剪力退耦装置342和343差不多的元件流出流量计。流体从这儿通过出口1106及其开口1107流向图11的右边。
元件1111和1112包括一些这样的通道1113，它能将由入口1103流入的轴向流体转变成相对于外转子1114的外周来说是切向流动的流体。元件1111通过螺栓1118固定到元件1112上。当想进行维修时，可通过螺栓118把元件111从元件112上拆卸下来，以便更换或检查轴承1119和1121。
线圈1131和1132与外转子1114和科氏转子中的磁铁(未画出)配合，以产生一些输出信号，测量计的电子学装置1140就利用这些信号来测量流体的质量流速和其它的信息。
图11和12所示的实施例也可安装一个与402(图4)类似的销钉来限制科氏转子相对于外转子1114的转动角度。这个销钉可从外转子1114伸进外转子上与开口401类似的一个开口中。
喷流推动的直列式共轴流量计
图14，15，16和19
除了图11和图12所示的外，所有前面讨论的实施例介绍的都是一种在轴向上有一流体口，在切向上有一流体口的流量计。从安装费用的观点来看常常希望有两个共轴的流体(入/出)口。一个共轴的实施例示于图14，15，16，和19中，它们的转子壳都包括一个壳底1401和一个壳盖1407，通过将一些伸过孔1419的螺栓之类的零件，在它们的法兰1402和1408处把壳底和壳盖固定在一起。壳盖1407具有一个圆筒形的入口1404和开孔1406，开孔接受来自供给管(未画出)的流体，壳底1401包括一个圆筒形的出口1403，这个出口具有一个图15所示的开孔1519。
图14所示的流量计还包括外转子的盖1409，流体剪力退耦装置1411，科氏转子1412和外转子1414。与前面描述的实施例同样，科氏转子1412是与外转子共轴的，而且是装配在外转子1414的内腔中。流体剪力退耦装置1411又是与科氏转子1412共轴的而且装配在科氏转子1412的内腔中。随后将会介绍，流体剪力退耦装置1411被固定在外转子1414上，而且与外转子1414一道绕中心轴1434转动。流体剪力退耦装置1411的功能与图3所示的流体剪力退耦装置342相同，因为它也从入口的开孔1406接受一轴向流体流并将这流体流转变成转动的径向流体流送给科氏转子1412中的矩形孔道1422。这样，流体剪力退耦装置1411就可通过把科氏转子同力矩隔离的方法来提高科里奥利测量装置的精度，如若接受一来自入口开孔1406的笔直轴向流体流，科氏转子就会经受这种力矩。外转子盖1409具有与图3所示的转子盖317相同的功能，它被牢固地固定在外转子1414上并同外转子1414一道绕公共轴1434转动。
科氏转子1412具有一些鳍状物1432和矩形孔道1422。外转子1414也具有鳍状物1431和矩形孔道1421。科氏转子1412与扭力轴1413的一端相连，扭力轴的另一端则装配在轴1416的开孔中。轴1416的一端与外转子1414的平表面相连。轴1416的另一端则与圆锥形元件1426中的轴承相连，随后将会描述。轴1416伸过支撑套1433中的凸台1429的开孔。支撑套1433包括碟形凹窝1417，它具有一个从凹窝部分的中心伸出的凸台1429，如图14所示。支撑套1433具有一些外鳍1418，把支撑套1433固定在壳底1401的碟形凹窝1435内。
在运行过程中，把待处理的流体通过入口1404的开孔1406通入流量计中，随后到达流体剪力退耦装置1411。流体剪力退耦装置1411把这接受的轴向流体流转变成转动的径向流体流，再把这径向流体流施加到科氏转子1412的那些孔道1422中(图14和16最好看)。这流体通过孔道1422，然后通过外转子1414的那些孔道1421。孔道1421都是弯成图18所示那样，而且通过的流体就会产生使那些转子和流体剪力退耦装置围绕轴1434旋转的力。离开外转子1414的流体经过支撑套1433的鳍1418并从流量计的出口1403流出。
扭力轴1413与图3所示的扭力轴329相似，它使得在流体通过转动的科氏转子1412中的孔道1422时，科氏转子1412与外转子1414发生角偏移，这种角偏移是这时在科氏转子1412上产生的科里奥利力的反应。
流体剪力退耦装置1411包括一些鳍状物1423，这些鳍状物之间的空间就构成了流体的通道1424。壳底1401和壳盖1407都大体上呈漏斗形。每个的大端都是足够的大，以便在它的内表面与外转子1414之间能留出一环形空间。流体流出外转子1414以很小的角速度进入外转子与壳底1401之间的环形空间。在与图14到图16和图19所示的实施例比较时，图11和12所示的内联式流量计实施例的差异在于，图11和12所示的实施例中，流入的流体在进入外转子周边之前就具有了转动外转子1114所要求的角动量。由支撑壳1111和元件1112的表面形成的通道1113给了流入的流体角动量。通过把通道1113取向做成象螺纹一样来实现这种功能。但是，在从图14到图16和19的实施例中流体进入流体剪力退耦装置的中心，没有角动量。当流体被迫改变方向时，科氏转子和外转子都被流出的流体作用在外转子上的推力所转动。产生推力的机制是与图10中介绍的实施例的机制相同。
图15和图16和19一起介绍了图14的更进一步的细节。图15是一个沿图16的15-15线切取的剖面图。图16是沿图15的16-16线切取的断面图。
从其中心开始，图16画出了由科氏转子1412的表面1514所围绕的扭力轴1413的那一端，该表面1514又被流体剪力退耦装置的凸台1512的截面所围绕。这都是在科氏转子1412的范围之内。如图15所示，流体剪力退耦装置1411构成一个圆锥形凸台的尖端或鼻子1511，图15中该凸台的外轮廓表面与各鳍状物1423的边棱相连。各鳍状物1423之间的空间构成了通道1424。在图15上看得最清楚，当流体向下流动时，被通道1424接受的流体流方向被上述凸台1512的轮廓表面(图16)1510所改变，从轴向流动改变为径向流动。这些固定在转动圆锥凸台1512上的鳍状物1423还可使这流体流转动。这种转动的径向流体流流出图15所示的凸台1512的表面1510并进入科氏转子1412的矩形孔道1422的附近区域，这在图16上画得最清楚。
参考图16，被流量计接受的流体沿轴向进入流体剪力退耦装置1411的通道1424，并被弯曲的表面1510转变成径向流体流。从流体剪力退耦装置1411的通道1424来的径向流体流流入科氏转子1412的孔道1422，这些孔道是由科氏转子1412的鳍状物1432之间的开口区域构成。
在图16上，上述流体从科氏转子1412中的孔道1422流出并进入外转子1414的喷嘴状的孔道1421。外转子1414的喷嘴状的孔道1421是由外转子1414上的鳍状物1431之间的开口空间所构成。流体流出外转子1414的孔道1421的喷流效应产生一推力，使该转子绕其中心反时针旋转，如图16所示。科氏转子1412，剪力退耦装置1411和转子盖1409与外转子1414一同绕公共中心轴1434转动。但是，由于扭力轴1413的挠曲能力，科氏转子1412可以呈现一由科里奥利力引起的相对于外转子1414的角偏移，这科里奥利力是在旋转的科氏转子1412上产生的。流出外转子1414中喷嘴状孔道1421的流体进入图16所示的开放空间1601。
因为图16是一个沿图15的16-16线切取的断面图，所以图16上画有剖面线的元件1602就是壳盖1407的一个断面。元件1603是壳盖1407的部分外表面。图16上还画出了壳盖1407的法兰1408和它的孔道1419。
图15还以部分剖开的形式画出了图14和16所示实施例的细节。图15画出了入口1404的开孔1406，这个入口接受待处理的流体，而且这入口孔通过流体剪力退耦装置1411的通道1424得以延长。在这过程中(In so doing，)，借助于凸台1512的轮廓表面1510，流体的方向从轴向改变成径向并施加给科氏转子1412的孔道1422。
凸台1512的下部(图15)包括几个腿1518，腿的下端支撑在外转子1414的表面部分1522上。每个腿中的螺栓1509可使流体剪力退耦装置1411牢固地固定在外转子1414的表面部分1522上。流体剪力退耦装置1411的这些腿1518伸过科氏转子1412的平表面1516和1524上的开孔，以便流体剪力退耦装置1411能被它的腿1518牢固地固定在外转子1414上。通过科氏转子的平表面1516，1524的那些孔比起这些腿1518的直径来是足够大的，以便允许科氏转子对于外转子和剪力退耦装置发生有限的角位移。除了科氏转子1412的底表面1516和1524上的这些开孔外，科氏转子1412的底基本上是由一个平的圆碟元件(未画出)构成，科氏转子1412上的那些鳍状物1432就固定在这圆碟元件上。科氏转子1412的鳍状物1432就伸展在它们底部与顶部的平基面积之间，且与科氏转子的局部为圆锥的部分1436相连接。科氏转子1412的圆锥部分1436的下端和一个鳍状物1432的连接示于图15上。在图15中，鳍状物1432的下部示为与科氏转子的基底表面1516相连。
扭力轴1413画在图15上，其上端被牢固地固定在科氏转子1412的元件1524上，而其下端1504被定位螺栓1529固定在轴1416的下端。扭力轴1413伸过位于轴1416上端的轴承1526。可看见轴1416是牢固地固定在外转子1414的一部分1522上。轴1416伸过凸台1429的轴承1506，且向图15的下部延伸到轴承1427中。使轴1416的下端伸过轴承1427到达开口区域1503，该区域构成圆锥元件1426的一个内部空间。圆锥元件1426借助于螺孔和螺栓把它与元件1433固定在一起。定位环1523把轴1416固定到位。
在图15中，壳盖1407的上部包括密封件1532，它是放置在壳盖1407和外转子1409之间，以便防止流体在这两个元件之间的泄漏。图14-16和图19所示的实施例还包括线圈1533和1534(示于图19中)，它们与磁铁1536和1537配合，以便能用与先前就图3-7所示的实施例所论述的相同方式来测定科氏转子1412相对于外转子1414的角偏移。
图19还示出了图15所示装置的部分细节。特别是，图19给出了图15的左上部分的放大图。
科氏转子1412和外转子1414的鳍状物1432和1431分别都画在图5中。可以看出，这些鳍状物是放置在壳盖1407之中。外转子盖1409紧挨着鳍状物1431和1432，而外转子盖固定在元件1437和鳍状物1431的上部，以便与外转子1414一同转动。磁铁1536是镶嵌在科氏转子的鳍状物1432的顶部，而磁铁1537则是镶嵌在外转子盖1409中。磁铁1536与线圈1533配合，而磁铁1537则与线圈1534配合。如图所示，两个线圈都是固定在壳盖1407上。当它们的相应转子转动时，这两个磁铁转过它们的相应线圈就能测量出科氏转子1412相对于外转子1414的角转动，既而能推导出通过流量计的流动物质的质量流速。线圈1534和1533的导线1941和1942与流量计的电子学装置1943相连，它的作用与流量计电子装置1351相同，用来产生流动流体的质量流速之类的信息。
在图19中画出的还有一些鳍状物1423和流体剪力退耦装置1411的一些通道1424的开口。在图19中画出的还有凸台1512的尖端1511和曲表面1510，这凸台构成了流体剪力退耦装置1411的下部。在图19中画出的还有元件1522，它是外转子1414的一部分。如图所示，这个元件1522还与鳍状物1431的下部相连接。此外图中示出，科氏转子1412的鳍状物1432的下部还与科氏转子的底表面1516相连。
电机驱动的喷流泵/流量计-图17和18
图17和18画出了本发明的一个电机驱动的实施例，它完成一个泵和一个科里奥利流量计的双重功能，这科里奥利流量计是用来测量从这个泵输出的流体的质量流速的。在某些方面，这个实施例与图10以及图3，4，5，6和7所示的实施例类似。图17和18的元件采用的标号与先前在其他图上描述的执行相同功能的装置的标号相同。
图17和18所示装置包括一个流体容纳壳301和一个科氏转子314。流体容纳壳301具有一个安置在其凹腔中的外转子307，而科氏转子314则放置在外转子的凹腔中，其方式与图3所示实施例相同。有一些孔道343的流体剪力退耦装置342在科氏转子的中心凹腔中，但是是以图3所示的方式与外转子盖板(图17和18上未画出)相连，以便与外转子307一同转动。剪力退耦装置342与图3所示相同也包括一些孔道343。剪力退耦装置342的目的是接受通过开口337轴向流入的流体并把这轴向流动的流体转变为径向转动的流体流，随后流入科氏转子314的径向孔道312。与先前的实施例比较起来，图18中的科氏转子在宽度上是比较窄的，而外转子307的宽度，与先前讨论的实施例比较起来则是相当宽的。
图8所示实施例的流体入口与图10所示实施例类似，因为接受的流体都是从流体入口304的开孔337流入并经由出口327的开孔302流出流体容纳壳。
图17有点儿类似于图6，因为它以与先前在图6中描述的相同的方式画出了与科氏转子相连的扭力轴329和与外转子307相连的轴331是如何同流量计的流体容纳壳的各元件相连的细节。图17画出了同轴331相连的电机1701，该轴又以与图6相同的方式同外转子307相连。与图6同样，用于科氏转子314的扭力轴329安置于轴331中的内孔中，而且通过定位螺栓332将它的左端牢固地固定在轴331上，如图17所示。止推轴承334和定位环339把外轴331限位在流体容纳壳301和它的轴承盖336之中。
电机1701提供必需的力矩来使转子系统反时针转动，如图18所示。外转子307中的孔道309弯曲成图18所示那样，以便在转子系统被电机1701反时针转动时，用来提高作为流体泵的外转子307的效率。科氏转子314中的孔道312和对先前的实施例所示的同样是沿径向的，以便当图18中的转子系统在电机1701的作用下顺时针转动时来提高科氏转子314检测科里奥利运动的效率。科氏转子的孔道312的内端被连接到流体剪力退耦装置342的孔道343，该流体剪力退耦装置，以与先前描述的同样方式把科氏转子314的孔道312同经由流体入口304的开孔337流入流量计的轴向流体流隔开。
电机1701使转子系统绕轴331转动，这转动使得流入入口304的物质依次通过剪力退耦装置342中的孔道343，科氏转子314的径向孔道312并进入外转子307的孔道309中。外转子307的这种转动和其孔道309的弯曲对流入的流体具有有效的抽运作用，这流入的流体经由流体出口327的孔道302流出流量计。该流体从科里奥利流量计的中心部分通过它的孔道312向外流进外转子307，这使得当流体远离流量计的中心向外流动时可认为径向孔道312中流体的各基元部分的角速度是逐渐增加的。如先前结合图1和2所作的描述一样，这切向加速度施加一个反时针方向的力在科氏转子和它的孔道312的壁上。孔道312的壁提供给流体一个力，这力是使其切向速度增加所必需的。这个作用在孔道343壁上的力使科氏转子314滞后于外转子307的转动，而且在这过程中，还会相对于外转子307产生顺时针方向的角位移。科氏转子314的这种角位移是扭力轴329的挠曲能力所允许的。
和图3，4，5及6同样，图17和18所示装置上装有镶嵌在科氏转子314和外转子307中的两块磁铁(未画出)以及配合作用的与图3，4中的线圈323和324相差不大的线圈。这些元件以先前讨论过的方式相互配合来检测科氏转子314相对于外转子307的角偏移量。这个角偏移可表示由图17和18所示的泵输送到外管路之类(未画出)的通路中的物质的质量流速。这质量流速可在信号从线圈323和324施加到测量计的电子学线路时由该电子线路推导出来。止动销402和开口401都限制着科氏转子314相对于外转子307的角偏移。
改变流速
先前的计算都是在满足平衡条件的假设下进行的。当流速恒定和转子达到速度已经有一定时间时，这些条件就会存在。在各瞬变状态中，都需要力矩来使转子加速和减速。这个力矩会导致流速的错误指示，但在加速和减速两者都涉及的过程中，误差就会被抵消。在喷流驱动的实施例中外转子通过扭力杆驱动科氏转子。因为流体在沿径向向外流动，所以科氏转子会滞后于外转子。当转子的转速rpm增加时(由于电机速度的增加，或由于流速的增大都会发生)，由于转动惯性科氏转子会更加滞后。这样，该指示的流速值会偏高。当转子的转速rpm减小时，惯性力矩趋向于消除科里奥利力矩的作用，因而测量计的读数会偏低。可以证明，如果开始和结束的转速rpm相同，则由加速和减速所产生的误差会相互抵消。这表明，不断的起-停测量将是准确的，而且在长时间的测量过程中由于速度改变所产生的误差不会积累。
在其它的一些流体沿径向向内流动的实施例中，流体通过科里奥利力驱动科氏转子。在稳定流动过程中，科氏转子超前于外转子。增加流速(和转速rpm)可导致科氏转子外的净力矩减少，其减少的量是加速该科氏转子所必需的。这样，测量计读数就会偏低。同样地，减小流速会导致读数偏高。象在其它实施例中一样，在间歇式作业过程中其误差会相互抵消。由于阀门的快速打开和关闭而产生的极高的加速度可能使扭力杆经受过大的应力，使测量计损坏。为了防止扭力杆经受过大的力矩，在转子上装入了一些限位器来限制转子之间的角位移。这样的限位器可由安装在一个转子上的圆柱销钉构成，这销钉伸进另一个转子上的圆环形的槽口中(图5)，或由伸过科氏转子上加大尺寸的开孔中的剪力退耦装置的固定腿构成(图19)。该槽口的长度可这样确定，对于最大的预期的流速来说，它能允许有充分的但却不足以使扭力轴遭受过大应力的运动。
应清楚地知道，本发明的权利要求并不限于描述的优选实施例，而是还应包括在本发明的概念范围和精神之内的其它改进和变化。这样，术语流体一词已被用在关于流过这里介绍的流量计和泵的物质的描述上。这个术语只是说明可以被本发明的装置处理的物质。人们都清楚，本发明的装置可以容纳不仅只液体本身，而且可容纳可以流动的或由公开的装置抽运的任何其它物质。这些其它的物质可以包括空气，种种气体，浆料，液体以及流质。此外，象这里使用的术语“孔道”包括任何构形的横切面的开孔，如象圆形，矩形，三角形，或者其它可能的构形，也包括不规则构形。
另外，光学检测装置，涡流或其它合适的装置都可以用来代替作为位相测量装置的磁铁和线圈。
这里所用的术语流体一词应作广义的理解，它可包括任何能流过导管，管道或管子的物质，如象各种气体，浆料，混合物等等。